樁基礎(chǔ)橋在斜坡下的受力分析與防護措施

肖英楠

(北京特希達交通勘察設(shè)計院公司，北京 100000)

0 引言

樁基礎(chǔ)橋梁受荷載作用時，需要分別考慮豎向荷載作用以及橫向荷載作用，樁基礎(chǔ)橋梁抵抗豎向荷載作用的受力構(gòu)件為基樁樁底以及周圍巖體、坡體的滑動能力；抵抗橫向荷載作用的構(gòu)件主要是樁體軸向轉(zhuǎn)動能力[1]。由橫向荷載和豎向荷載兩者組合而成的荷載作用共同承受來自各個方面的作用力，所以可以通過對各種不同荷載之間的相互作用的分析幫助判斷大橋樁基具體承載力狀況[2]。本文針對山地陡坡上橋梁樁基的承載力特性，提出山地陡坡高差下橋梁樁基承載力及保護措施。

1 工程概況及樁基礎(chǔ)受力模型

1.1 工程概況

河南鞏義某標段高架橋路線全長18.92 km，橋梁結(jié)構(gòu)上部采用裝配式整體式箱型預(yù)制梁，下部采用樁基礎(chǔ)，路基挖方158.6萬m3。軟弱土地基采用水泥加固處理，上部鋪裝C15混凝土墊層，橋梁基礎(chǔ)部分采用換填土。該樁基礎(chǔ)橋梁在斜坡處的地基基礎(chǔ)部分的組成結(jié)構(gòu)有基礎(chǔ)樁、地基斜坡表面、易發(fā)生滑動的滑動表面和滑床等；該橋的樁基處一般受側(cè)向負荷影響，在該負荷影響下，易發(fā)生塌方的現(xiàn)象如圖1所示。

圖1 滑坡現(xiàn)象示意圖

1.2 樁基礎(chǔ)模型

位于滑動斜坡的樁基礎(chǔ)橋梁，基礎(chǔ)樁一般會鑲固在剪切波速比較大、巖質(zhì)比較堅硬的堅硬土或者巖石上[3-4]。根據(jù)樁基礎(chǔ)受力模型，按照樁上部橋墩與樁基連接作用的不同情況，從上到下將基礎(chǔ)樁分成3個受力段(見圖2)，分別為位于滑坡體上部的自由段、滑坡體與滑動面之間的受力段、滑動面下部的嵌固段。

圖2 斜坡破段樁基受力模型

位于滑坡體上部的自由段，基礎(chǔ)樁上部作用的水平荷載以及荷載引起的彎矩都會使樁身產(chǎn)生的較大彎曲或撓度，引起樁身產(chǎn)生較大的撓曲變形，而樁身撓曲變形的出現(xiàn)又會增加豎向荷載作用產(chǎn)生的附加彎矩，附加彎矩的產(chǎn)生同樣反過來也會直接影響樁身撓曲變化的增大[5]。對中間部位的受力段而言，由于有邊坡的出現(xiàn)，樁前巖石體帶來的水平抗性會明顯降低，甚至全部下降。對嵌固段，當?shù)貙拥竭_一定深度后，嵌巖深度繼續(xù)上升，這對樁基承載能力的改善效果并不顯著[6]。

滑坡體下滑的動態(tài)過程中產(chǎn)生的樁后坡體下滑力，如圖2中滑坡體所示，呈現(xiàn)上小下大的三角分布，具體方向可參照混凝土體情況選擇，計算公式為:

F1=as2+bs+c

(1)

橋梁樁基抗力計算公式:

F2=ηK(s)Hx

(2)

樁體軸力計算公式:

F3=W0+fs

(3)

2 13#樁基加載實驗2.1 豎向荷載作用

以13#樁基為例，在該樁基礎(chǔ)豎向荷載作用加載過程中，加載10級，每級荷載增加1 000 kN，記錄每次加載之后樁頂產(chǎn)生的水平位移和豎向位移，如表1所示。

表1 13#樁基在豎向加載下樁頂位移表

由表1可以得知：13#樁基樁頂在隨著荷載的增加，其豎向位移均呈現(xiàn)線性上升趨勢，水平位移呈現(xiàn)先增長后下降的趨勢。但豎向荷載受力情況下的樁頂水平位移值較小，約為豎向位移值的萬分之一。因為樁基兩側(cè)混凝土的抗側(cè)能力以及水平荷載承載力會隨著豎向荷載的增加而提高，所以橋梁樁基頂部的水平位移在增長一定程度后，繼續(xù)加載，水平位移逐步降低。由此可知，豎向荷載作用基本不會對樁基的樁頂產(chǎn)生水平位移。

2.2 水平荷載作用

在樁基礎(chǔ)水平荷載作用加載過程中，加載10級，每級荷載增加100 kN，記錄每次加載之后樁頂產(chǎn)生的水平位移和豎向位移，如表2所示。

表2 13#樁基在水平加載下樁頂位移表

由表2可知，樁頂水平位置隨荷載的增加而呈現(xiàn)了線性上升趨勢。而豎向位移呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，當豎向位移的最大值0.211 3 mm以后，水平荷載繼續(xù)增加，樁頂豎向位移逐漸減小。研究結(jié)果表明，水平荷載對樁基變形影響比較大。綜上所述，樁基橋梁在斜坡水平荷載下對樁基水平位移和豎向位移均會形成一些影響。

2.3 組合荷載作用

為研究橋梁樁基結(jié)構(gòu)在多種不同荷載同時作用下的承載力，對豎向荷載Fy和水平荷載Fx進行3種不同的組合方式，具體如表3所示。

表3 兩種荷載組合方式一覽表

經(jīng)試驗研究表明，樁基同時作用水平荷載以及豎向荷載，樁身會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。樁基產(chǎn)生的豎向位移，組合方式2最大，其次為方式1，組合方式3最小，表明了此時的建筑物樁基是沿著樁身方向逐步降低的，而此時樁基兩側(cè)產(chǎn)生的摩擦力抑制了樁基相對位移，同時通過給巷道圍巖輸送部分的荷載，激發(fā)對巷道圍巖抵抗力，從而抑制樁變形。

3 橋梁樁基滑坡防護

3.1 擋墻原理

據(jù)統(tǒng)計，暴雨工況以及地震作用下，滑坡產(chǎn)生的水平推力為600～800 kN，通過分析斜坡上的橋梁樁基承載力狀況，可以為預(yù)防滑坡產(chǎn)生的危害提供具體數(shù)據(jù)支撐，并采取相應(yīng)的安全措施。在清理塌陷坡面的塌陷體時，須在墩臺外側(cè)施工方便路上砌筑的水泥保護擋墻，對墻后回填、壓實處理至邊坡表面。在避免坡體繼續(xù)塌陷的時候，提高樁側(cè)巖土體厚度，以增加樁基強度，漿砌片巖滿鋪保護，在擋墻上坡面以及墩底系梁邊，避免雨水進入破壞物。

3.2 防護措施

目前，滑坡治理常用的措施有繞避、排水工程、削方減載、反壓、抗滑支擋、錨固、注漿等。本文從技術(shù)、 經(jīng)濟、施工、環(huán)保等角度進行分析論證，最終選出最佳治理方案。

3.2.1 削方減載+坡面防護治理

針對暴雨沖擊以及地震作用，對滑坡的穩(wěn)定及安全系數(shù)小于1的情況下，對滑坡體的斜率、滑坡墻體后方采取相關(guān)措施加以處理。處理方法：控制滑坡體以及斜坡范圍內(nèi)的比例，盡量控制在1/3以內(nèi)，并在坡的后方設(shè)置2～4根抗滑樁。

3.2.2 抗滑支擋+排水工程治理

抗滑支擋是在塌方坡腳的側(cè)面堆積土石，以增加擋土墻自身的重量，進行反壓?；蛘谏w部分塌方尖，并構(gòu)成防滑平臺?；麦w放在水底后，要用砂法構(gòu)成排水墊層，在坡度受壓時，盡快進行地下排水管理工作。在選擇填充物時，不要封閉地下水排出口。

4 結(jié)語

通過對樁基橋梁受荷實驗產(chǎn)生的荷載效應(yīng)和位移量，深入研究斜坡下橋梁樁基承載力狀況，并提出預(yù)防出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象的相關(guān)措施，滑坡的整治措施方法主要應(yīng)當是依據(jù)滑坡可能產(chǎn)生災(zāi)害的主要成因、變形和破壞的產(chǎn)生及機理、滑坡的推力程度大小和崩塌滑坡的所處的階段來決定，且還應(yīng)當根據(jù)滑坡施工的特點、施工的環(huán)境、環(huán)保要求等多種因素來綜合分析，以最終實現(xiàn)滑坡整治的措施技術(shù)安全有效、經(jīng)濟安全合理、施工便捷、環(huán)境生態(tài)環(huán)保。經(jīng)過試驗研究表明，該研究方案與樁基礎(chǔ)橋梁斜坡實際情況基本相符。